Мельник В.М.

Національний технічний університет України «КПІ»

ГАЗЛІФТНИЙ БАРБОТАЖНИЙ АПАРАТ
ІЗ ШТУЧНОЮ ГВИНТОВОЮ ЦИРКУЛЯЦІЄЮ

Конструкція належить до біотехнології, а саме до газліфтних барботажних апаратів, і може бути використаний для культивування мікроорганізмів в рідинних середовищах при виготовленні вакцин та біологічно-активних речовин.

Відомий апарат для вирощування мікроорганізмів, який містить ємкість з технологічними патрубками, розміщені в ємкості циркуляційний стакан і аератор, систему рециркуляції середовища, яка складається з відвідного трубопроводу, збудника розходу, підвідного трубопроводу і підключеного до нього пристрою для розбризкування культурального середовища, що розміщений у верхній частині ємкості [1].

Апарат має можливість працювати при підвищеному барботуванні культуральної рідини в ємкості, тобто за інтенсивного постачання мікроорганізмів киснем, отже і за енергійного постачання поживними речовинами. Це забезпечено усуненням стримуючої інтенсифікацію дріжджезростаючого процесу від’ємного зворотнього зв’язку між газовмістом культурального середовища в ємкості і інтенсивністю тепломасообмінних процесів в апараті загалом.

Зазначений від’ємний зв’язок ліквідується за рахунок запровадження в конструкцію апарата відвідного патрубка піни в складі гідроциклона та ежектора. Недоліком цього технічного рішення постає досить висока матеріалоємкість апарату, підвищене піноутворення, відносно невисока продуктивність технологічного процесу внаслідок пасивного перемішування і практично ламінарного поступального руху робочої рідини, і тільки паралельно осі апарату, а також наявність неминучих при цьому застійних зон в придонному прошарку та на периферії апарату (на внутрішніх бічних стінках), що зумовлене обмеженими можливостями обраного технічного рішення.

Відома також конструкція газліфтного барботажного апарату, який містить вертикально розташований циліндричний корпус з технологічними патрубками і розміщену в порожнині корпусу з радіальним зазором циркуляційну трубу, а також встановлений під циркуляційною трубою аератор [2].

За рахунок більш рівномірного розподілення газу та підвищення його диспергування зростає продуктивність технологічного процесу. Для вертикального висхідного руху потоків газорідинної суміші використовується потенціальна енергія стиснутого повітря. Процес культивування мікроорганізмів, як і більшість гетерогенних хімічних реакцій, безпосередньо залежить від кількості розчиненого в рідині газу і утворенням та накопиченням цільового продукту, зокрема, біомаси. Підвищення ступеня розчинення газу в рідинній фазі реакції призводить також до скорочення його розходу та до зменшення енерговитрат на аерацію. Недолік цього технічного рішення полягає у відносно низькій продуктивності, збідненій кінематиці технологічного процесу та недостатньому тепломасообміну при постійно існуючих зонах пасивної енергетики культуральної рідини в придонному прошарку та на периферії внутрішньої поверхні корпусу.

В основу пропонуємої конструкції поставлена задача підвищення продуктивності технологічного процесу шляхом інтенсифікації тепломасообміну по всьому об’єму апарата за допомогою штучного формування гвинтової циркуляції культуральної рідини усередині циркуляційної труби і породженої цим станом енергетичної активності культуральної рідини.

Газліфтний барботажний апарат з гвинтовою циркуляцією містить вертикально розташований циліндричний корпус з технологічними патрубками і розміщену в порожнині корпусу з радіальним зазором циркуляційну трубу, а також встановлений під циркуляційною трубою аератор, згідно заявляємого винаходу циркуляційна труба має рівномірно розташовані в колових напрямках заданого типорозміру прямокутні вікна із заслінками, які однаково орієнтовані відносно поверхні циркуляційної труби у її внутрішній бік.

Технічний результат від використання пропонуємого газліфтного барботажного апарату з гвинтовою циркуляцією забезпечується обладнанням циркуляційної труби рівномірно розташованими в колових напрямках заданого типорозміру прямокутними вікнами із заслінками, які однаково орієнтовані відносно поверхні циркуляційної труби у її внутрішній бік.

Через аератор стиснений газ у вигляді бульбашок надходить у циркуляційну трубу і утворює з культуральною рідиною повітряно-рідинну суміш, яка набагато легша від культуральної рідини, що знаходиться у проміжку між трубою і корпусом. За відсутності вікон із заслінками, доки надходить газ, менша щільність культуральної рідини усередині циркуляційної труби порівняно із щільністю культуральної рідини поза циркуляційною трубою, буде породжувати висотну циркуляцію рідинного середовища з боку придонного шару у бік кришки апарату у вигляді поступального руху вгору повітряно-рідинного стовпа суміші. Через вікна у бічній поверхні циркуляційної труби, у свою чергу, з боку корпуса апарату, тобто із зони високої щільності, надходять потоки культуральної рідини, а заслінки їх спрямовують в коловому напрямку усередині циркуляційної труби. Центральний стовп повітряно-рідинної суміші захоплює прийдешні усередину труби циркуляційні потоки і спонукає їх додатково рухатися угору, в результаті чого формується гвинтова циркуляція.

Обопільний кінематичний вплив повітряно-рідинної суміші і прийдешніх із вікон циркуляційних потоків, окрім формування траєкторії руху, забезпечує більш активну аерацію потоків культуральної рідини і тепломасообмін за весь час переміщення в циркуляційній трубі.

Таким чином, зони пасивної енергетики у придонних шарах та біля внутрішньої поверхні корпуса аппарату активізуються, набувають просторового руху, турбулентного за своєю структурою, інтенсифікують тепломасообмін і аерацію культуральної рідини, що слугує підвищенню якості культивування і росту продуктивності технологічного процесу.

Газліфтний барботажний апарат з гвинтовою циркуляцією (рис. 1) використовується для культивування мікроорганізмів в рідинних середовищах при виготовленні вакцин та біологічно-активних речовин і містить вертикально розташований циліндричний корпус 1 з патрубком 2 для уведення живильної рідини і посівного матеріалу, патрубком 3 для видалення культуральної рідини та патрубком 4 для відведення відпрацьованого газу. В порожнині корпуса 1, співвісно з ним, з радіальним зазором “” встановлена циркуляційна труба 5, а під нею розміщується аератор 6. Циркуляційна труба 5 приєднана до корпуса 1 кріпленнями 7.

Рис. 1

Робота пропонуємого газліфтного барботажного апарату з гвинтовою циркуляцією здійснюється наступним чином. У заздалегідь простерилізований корпус 1 крізь патрубок 2 вводять культуральну рідину, після чого через аератор 6 впускають стиснений газ, який у вигляді бульбашок 8 надходить до циркуляційної труби 5 і утворює з культуральною рідиною повітряно-рідинну суміш, яка набагато легша за культуральну рідину в проміжку “” між корпусом 1 апарату і циркуляційною трубою 5. Повітряно-рідинна суміш у вигляді потоків 9 надходить до циркуляційної труби 5 утворюючи поступально рухаючийся вгору стовп. Через вікна 10, із зони “” підвищенного тиску, у вигляді потоків 11 лине з периферії культуральна рідина і, наражаючися на заслінки 12, змінює радіальний напрям руху до центру циркуляційної труби 5 на коловий рух у вигляді потоків 13, створюючи циркуляцію в горизонтальній площині поперечного перерізу циркуляційної труби 5 (рис. 2, рис. 3). Центральний стовп повітряно-рідинної суміші захоплює прийдешні усередину труби циркуляційні потоки і спонукає їх додатково рухатися угору, в результаті чого формується гвинтова циркуляція. Піднявшись вище по трубі 5, стовп повітряно-рідинної суміші знову отримає додаткове вливання циркуляційних потоків вищих поверхів з вікнами 10 циркуляційної труби 5, формуючи ту ж саму гвинтову циркуляцію, що і в нижніх поверхах.

Отже, штучно породжена енергетична активність придонних шарів і периферійних застійних зон апарату докорінно вплине на технологічний процес.

Таким чином, використання пропонуємого газліфтного барботажного апарату з гвинтовою циркуляцією, за допомогою нових властивостей, забезпечить ріст продуктивності внаслідок інтенсивного тепломасообміну і аерації, а також завдяки ліквідації зон пасивної енергетики культуральної рідини.

Рис. 2 Рис. 3

Джерела інформації:

1. А.с. 1497208 А1 СССР, С12М1/04. Аппарат для выращивания микроорганизмов [Текст]/ Ю.Ф. Давыдов, В.М. Геллис, В.К. Погудкин, В.М. Крац, В.Н. Соловьев, С.П. Уткин (СССР). - № 4109725/28-13; заявл. 21.08.86; опубл. 30.07.89, Бюл. № 28. – 1 с.: ил.

2. А.с. 1708829 А1 СССР, С12М1/04. Газлифтный барботажный аппарат [Текст]/ Ю.Г. Куляшов, В.И. Горячкин, С.П. Уткин, Ю.Н. Талызин, А.С. Васильев, В.М. Крац (СССР). - № 4612860/13; заявл. 01.12.88; опубл. 30.01.92, Бюл. № 4. – 1 с.: ил.